Hoeveel zon, hoeveel panelen, hoeveel batterij: de klimaatmodule op eigen zonnestroom
Je begint met instraling, rendement, de invalshoek, wattuur en batterijtaal. Daarna lees je PVGIS, rekent je het temperatuureffect door, meet je een I-U-kromme, dimensioneer je een tuinhuis op zonne-energie, pas je de energiebudget-rekenaar aan en vergelijk je systeemspanningen. In de uitdagingen kies je zelf panelen en batterij voor de klimaatmodule (opdracht 20.13, voor je Habitat-portfolio), reken je uit hoeveel sla een kilowattuur oplevert, ontwerp je een autonome sensorpaal en debatteer je: meer panelen of een grotere batterij?
Vier panelen onder 60° voor de klimaatmodule: steil, om de lage winterzon zo goed mogelijk te vangen.
Hoe lees je een opdracht?
Drie tredenOefenenToepassenUitdagen
Elk hoofdstuk bouwt op: eerst oefenen (één stap, direct toepassen), dan toepassen (meerdere stappen, in een context), dan uitdagen (transfer, open problemen, andere leerlijnen erbij).
De StemExpert-schaal5
Eén moeilijkheidsschaal van 1 tot 9 over de drie niveaus heen: Fundamental loopt van 1 tot 4, Intermediate van 3 tot 7, Expert van 6 tot 9. Zo zie je dat de uitdaging van het ene niveau de oefening van het volgende is.
Oefenen
Oefenen
één stap, direct toepassen
20.1
Watt per vierkante meter en volle zonuren
Oefenen3Rekenen10 min
Gebruik de grafiek met de zonnestraling per uur uit het handboek.
a
Buiten de dampkring valt 1361 W/m², aan de grond op een heldere middag ongeveer 1000 W/m². Waar blijft het verschil?
b
Op een gemiddelde junidag valt 4,5 kWh per m² op het paneel. Hoeveel volle zonuren is dat? En in december (1,5 kWh/m²)?
c
Hoeveel zonlicht (kWh) valt er op een gemiddelde junidag op de vier panelen van de module (samen 6,6 m²)?
20.2
Rendement en wattpiek
Oefenen3Rekenen10 min
Een modern paneel meet 1,72 m × 1,13 m en heeft een piekvermogen van 425 Wp.
a
Bereken het rendement onder standaardtestcondities.
b
Welk vermogen levert het bij 600 W/m², als de cel 25 °C blijft?
c
Hoeveel m² paneel heb je per kWp nodig met dit paneel, en met het paneel van de klimaatmodule (350 Wp, 1,65 m²)?
20.3
De invalshoek
Oefenen4Rekenen15 min
Gebruik θ=∣(90∘−β)−h∣ en G=Gncosθ (middaguur, paneel op het zuiden).
a
Vul in voor Gn=900W/m2 op 21 juni (h=62,4∘) en Gn=600W/m2 op 21 december (h=15,6∘).
β
θ juni
G juni (W/m²)
θ december
G december (W/m²)
0°
39°
60°
b
Bij welke hellingshoek vangt het paneel op 21 maart (h=39,2∘) het meeste direct licht?
20.4
Een verbruik in wattuur
Oefenen3Rekenen10 min
Een kleine kweekkast voor zaailingen heeft deze verbruikers.
a
Vul de tabel aan en bereken het verbruik per dag.
verbruiker
vermogen
uren per dag
Wh per dag
ledpaneel
40 W
14
ventilatortje
1,5 W
24
verwarmingsmat
20 W
6
microcontroller
0,8 W
24
totaal
b
Welk deel van het verbruik gaat naar licht? Waar zou je eerst besparen?
20.5
Batterijtaal
Oefenen4Begrijpen10 min
Kies telkens het juiste antwoord.
a
Een LiFePO4-batterij van 12,8 V en 100 Ah bij 80 % ontlaaddiepte: hoeveel energie is bruikbaar?
A1,28 kWh
B1,02 kWh
C0,80 kWh
D100 Wh
b
Wat betekent 'drie dagen autonomie'?
Ade batterij is na drie dagen versleten
Bde batterij voedt de verbruikers drie dagen zonder dat er energie bijkomt
Cde panelen laden de batterij in drie dagen vol
Dde batterij gaat drie jaar mee
c
Een batterij van 120 Ah laadt met 60 A. Hoeveel is dat in C?
A0,5 C
B2 C
C60 C
D7200 C
d
Waarom helpt een grotere batterij niet tegen het wintertekort van de module?
Toepassen
Toepassen
meerdere stappen, in een context
20.6
PVGIS lezen
Toepassen5Analyseren20 min
Gebruik het staafdiagram van PVGIS (Brussel, 60° zuid) uit het handboek.
Opbrengst per Wp per dag, per maand.
a
Welke maand levert het meest per dag, welke het minst? Hoeveel keer meer?
b
Een wegwijzer met een lampje en een sensor verbruikt 20 Wh per dag, het hele jaar. Hoeveel Wp is nodig voor december? En voor juni?
c
Waarom is de opbrengst in april hoger dan in juni, terwijl de dagen in juni langer zijn? Gebruik de hellingshoek.
d
Schat de jaaropbrengst van een paneel van 10 Wp.
20.7
Een warm paneel levert minder
Toepassen5Rekenen15 min
Een paneel van 350 Wp: NOCT 45 °C, γ=−0,35% per K. Gebruik de vuistregels van het handboek.
a
Bereken de celtemperatuur en het vermogen op een zomermiddag: 900 W/m², lucht 30 °C.
b
Bereken hetzelfde op een heldere wintermiddag: 600 W/m², lucht −5 °C.
c
Een paneel dat vlak op een dak ligt zonder luchtspleet, heeft een NOCT van 55 °C. Hoeveel levert het op de zomermiddag?
20.8
Labo: de I-U-kromme en het maximale vermogen
Toepassen5Labo50 min
Voer de proef van het handboek uit met een klein paneel, in de zon of onder een krachtige lamp.
a
Teken het schakelschema met de ampèremeter, de voltmeter en de potentiometer.
b
Meet minstens twaalf punten van kortsluiting tot open klemmen, dichter bij elkaar rond de knik.
U (V)
I (mA)
P (W)
c
Teken de I-U- en de P-U-kromme en bepaal het MPP.
d
Herhaal twee metingen met het paneel onder 45° van de zon. Wat verandert er het meest: de stroom of de spanning? Verklaar.
Zo wordt dit beoordeeld
Schema en meting
Ampèremeter in serie, voltmeter over het paneel; minstens twaalf punten, dichter bij de knik.
Grafieken
Twee krommen met grootheden en eenheden; MPP aangeduid met spanning, stroom en vermogen.
Verklaring
Kortsluitstroom evenredig met het licht (cos θ); spanning verandert weinig; de rol van de MPPT-regelaar.
Rendement
Instraling gemeten of geschat, oppervlakte, rendement met een redelijke onzekerheid.
20.9
Een tuinhuis op zonne-energie
Toepassen5Rekenen25 min
Een tuinhuis zonder netaansluiting wordt van april tot september gebruikt. Verbruikers: ledlampen 12 W (3 h per dag), radio 5 W (2 h), laptop laden 45 W (1,5 h), fonteinpompje 20 W (6 h), router 6 W (24 h). Paneel op het zuiden onder 60°; LiFePO4-batterij van 12,8 V met 80 % ontlaaddiepte.
a
Stel het energiebudget op.
verbruiker
W
h
Wh
b
Welke maand is kritiek? Hoeveel Wp is nodig, met 10 % marge?
c
Hoe groot moet de batterij zijn voor twee dagen autonomie (in Ah)?
d
Welke verbruiker maak je afschakelbaar, en welke niet? Waarom?
20.10
Python: de energiebudget-rekenaar als ontwerpgereedschap
Probeer 3, 5 en 6 panelen. Welke maanden sluiten telkens met een positief saldo?
panelen
maanden met positief saldo
3
5
6
c
Voeg een functie toe die voor een maand berekent hoeveel lichturen er maximaal mogelijk zijn, als de lampen alleen de energie mogen gebruiken die na het basisverbruik overblijft (met 95 % laadrendement). Hoeveel is dat in december?
Hint
Energie voor de lampen per dag ≈ zon · 0,95 − basisverbruik (230 Wh). Deel door 190 W.
20.11
Een dag in juni, uur per uur
Toepassen5Analyseren20 min
Gebruik de grafiek van een gemiddelde junidag uit het handboek (zonnestroom en verbruik per uur).
Gemiddelde junidag: zonnestroom van vier panelen en verbruik van de module.
a
Tussen welke uren laadt de batterij? Wanneer levert ze?
b
Hoe lees je in de grafiek af hoeveel energie de batterij levert? Schat het en vergelijk met de rekenaar.
c
De lampen branden van 6 tot 22 uur. Welk ander schema zou minder uit de batterij vragen? Waarom maakt het in juni weinig uit, en in maart wel?
20.12
12 V, 24 V of 48 V?
Toepassen6Rekenen20 min
Op een zonnige middag levert de laadregelaar 1400 W aan de batterij. De kabel van de regelaar naar de batterij is 3 m lang (heen en terug 6 m), koper met een doorsnede van 16 mm² (ρ=0,0175Ω⋅mm2/m).
a
Bereken de weerstand van de kabel (heen en terug).
b
Bereken de stroom en het verlies in de kabel (P=I2R) bij een systeem van 14 V, 28 V en 56 V (laadspanning).
systeem
I (A)
verlies (W)
% van 1400 W
12 V (14 V)
24 V (28 V)
48 V (56 V)
c
Waarom kiezen grote installaties voor 48 V of meer? Waarom blijft de module toch op 12,8 V?
Uitdagen
Uitdagen
transfer, open problemen, leerlijnen combineren
20.13
Habitat: zonnepaneel en batterij van de klimaatmodule
Uitdagen7Habitat60 min
Gebruik het energiebudget, de rekenaar en de maandtabel van het handboek. Het team twijfelt tussen drie ontwerpen. A: 4 panelen, 1 batterij van 120 Ah, lampen afschakelbaar. B: 4 panelen, 2 batterijen van 120 Ah (de keuze van het handboek). C: 6 panelen (twee laadregelaars) en 2 batterijen. Rekenwaarden: paneel € 110, laadregelaar 100 A € 450, batterij 120 Ah € 450 (14 kg).
a
Maak voor elk ontwerp een tabel: kWp, kosten, massa van de batterijen, maanden waarin de module op een gemiddelde dag volledig op eigen zon draait.
ontwerp
kWp
kosten (€)
batterij (kg)
maanden 'ok'
A
B
C
b
Hoeveel uren licht per dag kan elk ontwerp in december geven zonder hulp van het station?
c
Wat gebeurt er in ontwerp A op een grijze dag in juli (de panelen leveren 1,5 kWh)? En in ontwerp B?
d
Kies een ontwerp en schrijf een verantwoording van acht à tien regels voor je portfolio, met getallen, en met wat er in de winter gebeurt.
Hint
Maanden 'ok' en lichturen in december haal je uit de rekenaar (opdracht 20.10). Energie voor de lampen in december: zon · 0,95 − 230 Wh.
Zo wordt dit beoordeeld
Vergelijking
Drie ontwerpen correct doorgerekend: kWp, kosten, massa, maanden 'ok' uit de rekenaar.
Winter
Lichturen in december per ontwerp; besef dat geen batterij het wintertekort oplost.
Grijze dag
Energiebeheer in actie: welke verbruikers blijven werken, hoe lang, met welke reserve.
Verantwoording
Keuze met getallen, afweging kosten tegenover teeltmaanden, eerlijk over de zwakke plek.
20.14
Hoeveel sla per kWh?
Uitdagen6Rekenen20 min
In de kweekruimte groeien 48 kroppen sla in 35 dagen tot ± 200 g per krop (hoofdstuk 14). De lampen verbruiken 3,04 kWh per dag, de hele module 3,27 kWh. Stroom kost € 0,30 per kWh (hoofdstuk 4).
a
Hoeveel kWh verbruiken de lampen voor één teelt? Hoeveel per krop en per kg sla?
b
Hoeveel kost de elektriciteit per krop? Vergelijk met de prijs van een krop in de winkel.
c
Onderzoekers vinden voor sla in volledig belichte teeltruimtes 10 à 18 kWh per kg. Ligt de module in dat gebied? Hoe zou je minder kWh per kg halen?
20.15
Ontwerp: een autonome sensorpaal
Uitdagen7Ontwerpen45 min
Op 200 m van het station komt een weerpaal met een sensor voor wind, temperatuur en zonlicht en een zendertje. Samen 0,60 W, dag en nacht, het hele jaar. De paal moet vijf grijze decemberdagen na elkaar overbruggen. Er is geen kabel naar het station, en in de winter vriest het er tot −15 °C.
a
Bereken het verbruik per dag en het piekvermogen voor december (paneel onder 60°).
b
Bereken de batterij voor vijf dagen autonomie, als loodaccu (12 V, 50 % ontlaaddiepte) en als LiFePO4 (12,8 V, 80 %).
c
Welk batterijtype kies je, gezien de vorst? Verantwoord met hoofdstuk 16.
d
Waarom is een paneel van precies het berekende piekvermogen in de praktijk te klein? Kies een paneel en verantwoord.
e
Maak een schets van de paal met paneel, batterijkast en sensoren, met de hoek van het paneel.
Zo wordt dit beoordeeld
Budget en paneel
Verbruik per dag, piekvermogen voor december, marge voor grijze dagen en terugladen.
Batterij
Beide types correct gedimensioneerd in Wh en Ah.
Keuze
Koude correct meegewogen: LiFePO4 niet laden onder 0 °C, lood in de kou minder capaciteit; oplossing verantwoord.
Schets
Paneel onder 60° op het zuiden, geïsoleerde batterijkast, geen schaduw op het paneel.
20.16
Debat: meer panelen of een grotere batterij?
Uitdagen6Argumenteren25 min
Twee teamleden verschillen van mening. Lotte: 'Panelen zijn goedkoop; met acht panelen draait de module het hele jaar op zon.' Sami: 'Panelen helpen niets als de zon niet schijnt; we hebben meer batterij nodig.'
a
Waar heeft Lotte gelijk, en waar niet? Gebruik getallen uit het handboek.
b
Waar heeft Sami gelijk, en waar niet?
c
Formuleer een regel die beide standpunten verbindt: waarvoor dienen panelen, waarvoor een batterij?
ZelfevaluatieKleur per doel: lukt al / bijna / nog niet
Ik kan zonnestraling uitdrukken in W/m² en in kWh/m² per dag (volle zonuren), en de standaardtestcondities uitleggen.
Ik kan met G=Gn⋅cosθ berekenen hoeveel zonlicht een paneel vangt bij een gegeven zonnehoogte en hellingshoek.
Ik kan het rendement en het piekvermogen (Wp) van een paneel berekenen, en het effect van de celtemperatuur inschatten.
Ik kan een I-U-kromme meten en er het punt van het grootste vermogen uit halen.
Ik kan met PVGIS de opbrengst van een installatie per dag, per maand en per jaar berekenen, en een kritieke maand kiezen.
Ik kan een energiebudget opstellen met vermogen en gebruiksduur per verbruiker, en de grootste posten herkennen.
Ik kan een batterij dimensioneren voor de nacht en voor een aantal dagen autonomie, met ontlaaddiepte en rendement.
Ik kan een energiebudget per maand en per uur doorrekenen in Python en de uitkomst beoordelen.
Ik kan het zonnepaneel en de batterij van de klimaatmodule kiezen en die keuze met getallen verantwoorden.
